ZooSCAN助力南海涡旋能效调控机制研究

近日，中国科学院海洋研究所科研团队基于ZooSCAN成像技术，揭示了南海北部春季气旋涡旋/反气旋涡旋对浮游动物粒径谱和能量传递的调控机制。

研究背景

海洋浮游动物作为连接初级生产者与高营养级的关键环节，其群落结构和能量传递效率影响着海洋生态系统的功能。中尺度涡旋作为海洋中普遍存在的物理过程，可以通过强烈的垂向运动调控营养盐的输运路径：气旋涡旋诱发上升流，将深层富营养水体输送至透光层；而反气旋涡旋则能够推动表层寡营养水体下沉。这种物理作用显著改变了基础生产力的格局，进而重塑浮游动物的分布格局。

南海北部作为西太平洋最大的边缘海，年均涡旋活动频繁，但两类涡旋对浮游动物能量传递效率的垂向调控机制却仍不明确，尤其在季节性过渡的春季。本研究聚焦该关键期，通过现场采样结合ZooSCAN先进成像技术，系统解析气旋涡旋与反气旋涡旋对浮游动物粒径谱特征及能量传递效率的调控作用，揭示物理-生物耦合作用机制。

研究方法

2023年4月，研究团队结合卫星遥感数据，在南海北部（18°–20°N，111°–116°E）划定1个气旋涡旋（CE）及2个反气旋涡旋（AE）区域，并基于此布设20个采样站点（图1）。在各采样站点采用Midi型多联网（MultiNet，图2）垂直分层拖网，采集0–25、25–50、50–100、100–200、200–300 m等5个离散水层的浮游动物样品。

采集到的浮游动物样品经甲醛固定后，通过浮游动物专用分样器分样，确保每份子样品中含个体数目为500–1500个，之后使用浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN（图3）获取浮游动物高清图像；使用ZooSCAN自带的软件获取每个个体的长轴、短轴及等效球径等形态学参数，同时利用软件将浮游动物图像自动识别为12个类群（桡足类、毛颚类、磷虾等），并经过手动验证确保分类的准确性。获取的形态学信息及分类学信息，用于后续的统计分析。

图1 南海北部的采样站位图。红色圆圈表示反气旋涡旋区（AC），蓝色圆圈表示气旋涡旋区（CE）。黑色三角形表示位于每个涡旋系统内的采样站。

图2 多联网MultiNet

图3 浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN

研究结果

1. 环境特征差异

气旋涡旋区域表层水温（17.69 ± 0.35°C）、Chl-a（0.17 ± 0.03 μg/L）显著高于反气旋涡旋区域（19.08 ± 0.32°C；0.16 ± 0.02 μg/L），但溶氧值DO较低（147.70 ± 2.40；161.47 ± 5.37 μmol/L）。

气旋涡旋半径（116.4 ± 5.4 km）、振幅（15.4 ± 1.0 cm）及旋转速度（37.3 ± 0.7 cm/s）均大于反气旋涡旋。

2. 浮游动物群落结构

气旋涡旋区域上层300m浮游动物总丰度、生物体积及碳生物量显著高于反气旋涡旋区域（p<0.05），其中小型桡足类占比超70%（图4，表1）。

图4 2023年4月南海北部气旋和反气旋涡旋上层300米浮游动物总生物量的箱线图。

表1 南海北部气旋式和反气旋式涡旋上层300米浮游动物类群的总生物量

3. 能量传递效率特征

关键能量传递效率指标显示：气旋涡旋区域的归一化生物体积粒径谱NBSS斜率更平坦（-0.82±0.07）、平均粒径（0.66mm）与粒径多样性（2.35±0.13）更大，肉食/草食丰度比（0.10±0.01）更低，表明能量传递效率更高。

垂直剖面上，生产力随深度递减，但能量传递效率在深层（200-300m）呈反弹趋势；反气旋涡旋区域在0-25m层呈现更平坦的NBSS斜率与更高的粒径多样性（图5-6）。

图5 2023年4月南海北部上层300米内受气旋涡旋和反气旋涡旋影响的浮游动物功能性指标箱线图。（a）NBSS斜率；（b）NBSS 截距；（c）ESD；（d）粒径多样性指数；（e）食肉浮游动物与食草/杂食浮游动物丰度比；（f）食肉浮游动物与食草/杂食浮游动物生物体积比。

图6 2023年4月南海北部气旋涡旋和反气旋涡旋中浮游动物功能性指标的垂直分布

研究结论

气旋涡旋通过营养盐上升流促进大型浮游动物发育，显著提升了上层300m水层的能量传递效率；而反气旋涡旋在0-25m水层中因生物聚集效应形成了局部高效区。垂直方向上，深层能量传递效率反弹揭示了浮游动物群落对寡营养环境的适应性策略。

本研究借助ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统，证实了海洋涡旋动力学是调控南海能量流动的关键物理驱动因素。未来，随着技术的不断进步，ZooSCAN有望在海洋生态学研究中发挥更加重要的作用，为人类认识和保护海洋生态系统贡献更多力量。

参考文献

1.Wang, S., Zhang, F., Chi, X., Li, Q., Zang, W., & Sun, S. (2025).Zooplankton size structure and energy transfer characteristics under the influence of mesoscale eddies in the northern South China Sea during spring: Insights from ZooScan imaging.Journal of Geophysical Research: Oceans,*130*, e2025JC022560.https://doi.org/10.1029/2025JC022560